测控课程设计.docx
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测控课程设计
设计一光控式防盗报警器
一、设计目的
1、了解光控遥控的基本原理
2、设计和制作光控遥控电路
二、电路原理
电路原理图
功能描述
这是一个由光线触发控制的防盗报警器，通过光线的有无来控制蜂鸣器，对光线的感应使用了光敏电阻。
在实际应用当中，可以把它装在抽屉、书柜、文件柜等或夜间有光亮照射到暗锁等装置处，当夜间有小偷打开这些地方，光控报警器感受到光照时就会发出声音，提醒主人有人闯入。
1）光敏电阻工作原理：
当光线照射到光敏电阻上时，由于内光电效应使其导电性能增强，阻值下降，光线越强，电流越大，因而可将光信号转化成电信号。
伏安特性光电特性光谱特性
频率特性温度特性
光敏电阻具有灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定性好、体积小、制造工艺简单等优点，所以被广泛地用于遥控电路中。
RL选用MG45型光敏电阻，要求亮阻与暗阻相差倍数越大越好。
2）555接成的施密特触发器工作原理：
3）电路工作原理分析
光控电路由光敏电阻器，电位器等元件组成，构成分压器平时隐藏在黑暗中的光敏电阻器，因无光照射呈现高阻，所以分压点电阻R1左端为低电平，三极管VT1截止，其集电极输出高电平，即555时基电路阈值端（第六脚）为高电平，555复位，第三脚输出低电平，VT2截止，报警器没有声音。
若有光亮，RL由于受到光照而电阻值变低，分压点电位升高，VT1导通，这就使555的触发端（第二脚）跳变为低电平，555迅速置位，三脚输出高电平，VT2导通，报警器得电工作，从而发出响亮的报警，同时555第三脚输出的高电平又通过电阻R2反馈到VT1的基极，使VT1自锁导通，此时即使没有光照，报警仍会继续，只有切断电源才能停止报警。
三、器件清单
型号
位置
数量
1K电阻
R4
1
2K电阻
R1
1
4.7K电阻
R2
1
20K电阻
R3
1
100K可调电阻
RP
1
MG45光敏电阻
RL
1
0.01uF瓷片电容
C2
1
0.1uF瓷片电容
C1
1
470uF铝电解电容
C3
1
8050
V12
1
9013
V11
1
555
1
蜂鸣器
1
开关
1
万能板
1
导线
若干
四、焊接的技巧和注意事项
1、焊锡之前应该先插上电烙铁的插头，给电烙铁加热。
2、焊接时，焊锡与电路板、电烙铁与电路板的夹角最好成45度，这样焊锡与电烙铁夹
角成90度。
3、焊接时，焊锡与电烙铁接触时间不要太长，以免焊锡过多或是造成漏锡；也不要过短，以免造成虚焊。
4、元件的腿尽量要直，而且不要伸出太长，以1毫米为好，多余的可以剪掉。
5、焊完时，焊锡最好呈圆滑的圆锥状，而且还要有金属光泽。
设计二闪烁指示器
一、功能介绍
闪烁指示器白天自动熄灭，天黑以后自动闪烁，可以为楼梯或走廊内电灯开关位置的指示器，也可以作为灯塔模型中的自动闪烁导航灯。
优点：
方便实用，成本低。
二、电路原理
闪烁指示器电路如图所示：
电路工作原理
电路采用四与非门集成电路CD4011的其中两个与非门，组成可控多谐振荡器，用一只发光二极管（VD）作为闪烁指示灯，以光敏电阻RG为光控器件，整个电路结构比较简单。
在白天时，光敏电阻RG受到自然光线的照射（不必阳光直射），其阻值接近亮阻（≤2K），要比预期串联的电阻阻值小的多，因此与非门G1的
脚输入电压≤0.1V为低电平，与非门G1关闭，即G1输出
始终为高电平。
G2的
，
脚也是高电平，于是G2的输出始终为低电平。
振荡器停止振荡，VD不发光。
天黑时，光敏电阻RG只受到极其微弱的光线照射，此时它的阻值接近暗阻（≥600K~2M），要比与其串联的电阻阻值大很多，所以与非门G1的
脚输入电压≥5V，为高电平，这时G1的输出状态就取决于
脚的状态了。
设刚开始时
脚为低电平，则这时
，
，
脚均为高电平了，
脚为低电平。
脚高电平经R1，C1，
脚对C1充电，使C1两端电压升高，同时通过R2使
脚电压也升高。
当G1的
脚电平超过门限电平时，
脚改变为高电平，于是
，
脚改变均为高电平。
则经过G2门输出端
脚为低电平。
此时
，
脚也为低电平，于是经G2门输出端
脚为高电平。
脚高电平通过R1和G1的输出端
脚使C1放电，从而C1两端电压下降，即
脚电压也下降。
当
脚电压下降至门限电压以下时，
脚重新恢复成低电平，于是
脚为低电平，
脚为高电平，
脚和
脚也为高电平，
脚为低电平，从而又开始了往复循环的过程，形成振荡。
如果振荡频率足够低，则发光二级管将闪闪发光。
电阻R4对通过VD的电流期限制作用，可以针对不同的VD发光亮度作适当调整。
振荡周期主要取决于R1C1，当R1为2M电阻，C1为0.2时，振荡周期约为1.1S。
如果将R1或C1减半，则振荡周期缩短至0.45S。
当然，发光二极管的闪烁周期与多谐振荡器的周期相同。
电路振荡时（VD闪烁），工作电流5~7mA；停振时（VD熄灭），静态电流≤0.1mA。
因此，可以省去电源开关。
实验表明该电路的电压改为4.5V时电路也能正常工作。
三、元器件选择
G1和G2用CMOS类通用继承数字电路四与非门CD4011中的2个与非门。
RG选用暗阻≥1M，亮阻≤2K的光敏电阻，如MG41-22。
VD用普通的发光二极管，作为闪烁指示灯，采用红色更为醒目。
R1~R3用1/8W碳膜电阻器。
C1用耐压≥12v的普通瓷介电容，C2用耐压≥16v的普通电解电容器。
E用4节或三节干电池。
设计三单路红外遥控开关
一、设计目的
1.了解红外线遥控的基本原理,知道红外线遥控的特性.
2.了解单路红外遥控发射电路的工作原理.
3.了解单路红外遥控接收电路的工作原理.
4.学会制作简单的红外遥控电路.
LM555和LM567都是很常见的集成电路,可以用NE555和NE567,SE567,KA567替代.Q1用9013或其他β值在大于200的高频小功率三极管,Q2和Q3最好选用型号相同和β值差不多的三极管。
发射电路的开关采用一般的复位开关即可,红外发射接收管采用一般的配对红外线发射接收二极管均可。
二、设计原理
红外遥控开关（即通常我们所说的遥控器）已为我们大众所熟悉，在很多家用电器，如：
彩电、空调、电扇等电器上都配有遥控器，它既方便又实用。
本电路通过遥控器发出调制的红外光,由红外线接收二极管将调制信号通过锁相环鉴频后,发出信号触发双稳态电路,从而控制继电器工作.整个电路大致可分为发射电路和接收电路两部分.
发射电路如图1所示。
以时钟定时集成芯片NE555为核心,构成一个多谐振荡器,产生一个频率在91kHz-130kHz的脉冲波（这是理论值,由于元件偏差,以实际测量为准）,通过3脚输出脉冲波,由红外线发光二极管（D1）发射出去.频率计算方法:
T=0.7*[R1+（R2+R4）]*C2
F=1/T
接收电路是以锁相环集成芯片LM567为核心,构成一个鉴频电路，如图2所示。
红外线接收二极管将感应到的脉冲信号通过电容C1耦合到三极管Q1的基极,由Q1组成的放大电路把感应信号放大约100倍后，送给LM567的3脚，由LM567完成鉴频。
如果接收信号在LM567的捕捉带宽内，8脚输出低电平；否则，8脚维持高电平。
通过调整C5,R4可以确定LM567的捕捉中心频率，改变C3调整它的捕捉带宽，电容的容量越大，捕捉的带宽越窄，还需要注意的是C4的容量要小于等于C3的一半。
当8脚发生负跳变，触发双稳态电路改变状态，从而控制继电器的导通、断开状态。
三、器件清单
名称
型号
数量
名称
型号
数量
芯片
NE555
1
电阻
3.3kΩ
1
芯片
LM567
1
电阻
10kΩ
6
电容
471
1
电阻
15kΩ
1
电容
103
1
电阻
120kΩ
1
电容
104
1
电阻
1MΩ
1
电容
105
4
电位器
5kΩ
1
电解电容
1uF
1
三极管
9013
3
电解电容
4.7uF
1
二极管
1N4148
2
电解电容
10uF
2
继电器
1
电阻
220Ω
2
按钮开关
1
电阻
1kΩ
1
红外线发射接收管
1对
四、安装调试
按照电路图用一般的万能板焊接，可根据自己的实际情况替换元件。
焊接完毕以后，用万用表的正负表笔分别接电路电源两端，测量整个电路的等效电阻，注意交换表笔再测一次，两次的测量电阻都应大于10kΩ,才算是正常；否则，有可能是焊接短路。
在检查无误之后，接5V电源，用万用表测LM567的8脚电压，正常情况下应该是5V。
现在用发射模块的红外发射二极管距离对准红外线接收二极管，观察8脚电压有无变化，若变为低电平，则说明发射频率正确；若仍为高电平，则说明发射频率有偏差，调节电位器R4，改变发射频率，直到8脚变为低电平为止。
注意反复调试，使发射频率为LM567的中心频率，如果条件允许，最好采用示波器辅助调试。
实物图
发射电路（正面）接收电路（正面）
设计四超声波测距器的设计
1功能要求：
超声波测距器可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度、物体厚度的测量。
其测量范围为0.10～4.00m,测量精度为1cm。
测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定地显示测量结果。
2方案论证：
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。
利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。
超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
现在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。
根据设计要求并综合各方面的因素，本设计采用AT89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。
超声波测距器系统设计框图如图1所示。
图1超声波测距器系统设计框图
3系统硬件电路设计：
硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。
3.1单片机系统及显示电路
单片机采用89C51或其兼容系列。
系统采用高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减少测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管9012驱动。
单片机系统及显示电路如图2所示。
图2单片机及显示系统电路图
3.2超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图3所示。
发射电路主要有反相器74LS04和超声波换能器构成,单片机P1.0端口输出的40KHz方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波发射强度。
输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。
上拉电阻R10、R11一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力；另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部结构如图4所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这是它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极未加外电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。
超声波发生换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
图3超声波发射电路原理图图4超声波换能器结构图
3.3超声波检测接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图5所示。
实验证明，用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平）具有很高的灵敏度和抗干扰能力。
适当的更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
图5超声波检测接收电路图
4系统程序的设计：
超声波测距器的软件设计主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序即显示子程序组成。
由于C程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算，又要求精确计算程序运行时间，所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
4.1超声波测距器的算法设计
图6示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器R接收到。
这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。
该距离的计算公式如下：
d=s/2=（v×t）/2
其中：
d为被测物体与测距器的距离；s为声波的来回路程；v为声速；t为声波来回所用的时间。
超声波的速度v与温度有关。
表1列出了几种不同温度下的超声波声速。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
表1不同温度下超声波声速表
温度/ºC
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速/（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
图6超声波测距原理图
4.2主程序
主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口P0和P2清0；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。
为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1µs，所以当主程序检测到接收成功的标志后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式d=（v×t）/2=（172T0/10000）cm计算,即可得被测物体与测距器之间的距离。
设计时取20ºC时的声速为344m/s。
测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发送超声波重复测量过程。
图7所示为主程序流程图。
4.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序图7主程序流程图
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超
声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12µs左右，同时把计数器T0打开进行计时。
超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言程序。
超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。
就立即关闭计时器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值1。
如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2，以表示本次测距不成功。
5调试及性能分析：
5.1调试
超声波测距器的制作和调试都较为简单，其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4-8cm，其余原件无特殊要求。
若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰性能。
根据测量范围要求不同，可适当的调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
硬件电路制作完成并调整好后，便可将程序编译好下载到单片机运行。
根据实际情况，可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲个数和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。
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